【導讀】基于單片機的電梯轎廂振動檢測

　　

【正文】 然而由于 PC 機 RS232C 的邏輯電平與 AT89S52 單片機的 TTL 電平互不兼容， RS232C 的邏輯 0 電平規(guī)定為 +3～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 ?3～ ?15V之間。因此，為了與 TTL 電平的 AT89S52 單片機器件連接，必須進行電平轉換。美國 MAXIM 公司生產的 MAX232 系列 RS232C 收發(fā)器是目前應用較為普遍的串行口電平轉換器件。 PC 機和單片機的串行接口連接原理圖如下圖 3－ 14 所示。 數(shù)據(jù)應用串行通信時在硬件上采用三線制接法，將單片機和 PC 機串口的 3 個引腳（ RXD、TXD、 GND）分別連在一起，即將 PC 機和單片機的發(fā)送數(shù)據(jù)線 TXD 與接收數(shù)據(jù) RXD 交叉連接，兩者的地線 GND 直接相連，而其他信號線如握手信號線均空置不用，而是采用軟件握手的方式，這 樣既可以實現(xiàn)預定的任務又可以簡化電路設計。 T 1 I N11R1O UT12T 2 I N10R2O UT9T 1 O UT14R1I N13T 2 O UT7R2I N8C2 +4C25C1 +1C13VS+2V S 6U2M A X 2 3 2C11uFC41uFC31uFC21uF162738495J1CO NN D9FX T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2 圖 3－ 14 PC 機和單片機的串行通信連接原理圖 針 腳 符 號 通 信 方 向 功 能 1 DCD 計算機 → 調制解調器 載波信號檢測 2 RXD 計算機 ← 調制解調器 接收數(shù)據(jù) 3 TXD 計算機 → 調制解調器 發(fā)送數(shù)據(jù) 4 DTR 計算機 → 調制解調器 數(shù)據(jù)終端準備好 5 GND 計算機 ＝ 調制解調器 信號地線 6 DSR 計算機 ← 調制解調器 數(shù)據(jù)裝置準備好 7 RTS 計算機 → 調制解調器 請求發(fā)送 8 CTS 計算機 ← 調制解調器 清除發(fā)送 9 RI 計算機 ← 調制解調器 振鈴信號指示 18 抗干擾技術 影響正常工作的信號稱為噪聲，又稱干擾。在單片機控制系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)了干擾，就會影響指令的正常執(zhí)行，造成控制事故或控制失靈；在測量通道中，如果產生了干擾，就會使測量產生誤差，甚至某些情況下電壓的沖擊有可能使系統(tǒng)遭到致命的破壞。 本系統(tǒng) 硬件 抗干擾采 取 以下三種方法： 選用可靠的元器件 一般 情況下，元器件在出廠前都進行了相關測試。所以在通常應用時 不再進行測試，而直接將元器件用在電路中進行通電運行實驗 。在實驗中若發(fā)現(xiàn)元器件問題，直接替換不合格元器件。 接插件的選擇應用 單片機控制系統(tǒng)通常由幾塊印制電路板 組成，各板之間以及各板與基準電源之間經常選用接插件相連接。所以 在接插件的插針之間也易造成干擾，這些干 擾與接插件插針之間的距離以及插針與地線之間的距離都有關系。因此在設計選用時要注意以下幾個問題： 1) 合理地設置插接件：如電源插接件與信號插接件要盡量遠離，主要信號的接插件外面最好帶有屏蔽。 2) 插頭座上增加接地針數(shù)：在安排插針信號時，選用一 些 插針作為接地針，均勻分布于各信號針之間，這樣能起到一定的隔 離作用，以減小針間信號互相干擾。 3) 信號針盡量分散，增大彼此間的距離。 印刷電路板抗干擾設計技術 印制電路板是器件、信號線、電源線的高密度集合體，布線和布局好壞對可靠性影響很大。 1) 印制電路總體布局原則如下： ① 印制電路板大小要適中，板面過大 ， 印制線路太長，阻抗增加，成本偏高；板子太小，板間相互連線增加，易增加干擾環(huán)境。 ② 印制板元件布局時相關元件應盡量靠近，如晶振、時鐘發(fā)生器及 CPU時鐘輸入端等，大電流電路要遠離主板，或另做一塊板。 2) 數(shù)據(jù)線的傳輸方向應盡量保持一致，這樣有助于增強抗干 擾能力。接地線可環(huán)繞印制板一周安排，根據(jù)實際情況盡可能就近接地。 系統(tǒng) 電路 板 設計 綜合 系統(tǒng) 硬件 各個模塊的設計 ， 并結合硬件抗干擾技術， 在 Protel99SE 中 19 繪制出 ： 系統(tǒng) 印刷 電路 板的 原理圖設計 如附 錄 1 所示。 系統(tǒng) 印刷電路板 PCB 設計如附 錄 2 所示。 本章小結 本章節(jié) 主要介紹了 系統(tǒng)的幾個重要組成部分，對 單片機、 振動傳感器、 A/D轉換器、數(shù)碼管以及串口通信 等 各模塊 的工作原理作了詳細 分析與 設計 ， 另外也特別從硬件方面介紹了系統(tǒng)的抗干擾技術。 最后，通過軟件 Protel99SE繪制出了系統(tǒng)印刷電路 板的原理圖和 PCB 圖，為下面第四章節(jié)的軟件設計提供了具體的編程依據(jù) ， 同時 按照硬件電路進行編程 也 大大降低 了程序編寫的難度 。 20 第 四 章 軟件設計 設計 思想 由于 電梯轎廂的振動方向很多， 所以 本 系統(tǒng)主要檢測 X、 Y、 Z 三個方向上 的振動。三個方向如下圖 4－ 1 所示： ZXYO電梯轎廂電 梯 轎 廂 振 動 的 三 個 方 向 圖 4－ 1 電梯轎廂振動 建模 圖示 整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控 制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件，它是用來完成實質性的功能，如串口通信、振動檢測等。 系統(tǒng) 整體 設計 思想表示如圖 4－ 2 所示： 開 始采 集 信 號量 化串 口 通 信實 時 顯 示結 束單 片 機發(fā)送控制指令接收指令進行控制 圖 4－ 2 電梯轎廂振動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)思想 21 本設計是硬件電路和軟件編程相結合的設計方案，選擇合適的編程語言是一個重要的環(huán)節(jié)。在單片機的應用系統(tǒng)程序設計時，常用的是匯編語言和 C語言。匯編語言的特點是占用內存單元少，執(zhí)行效率高。執(zhí)行速度快。但它依賴于計算機硬件，程序可讀性和可移植性比較差。而 C 語言雖然執(zhí) 行效率沒有匯編語言高，但語言簡潔，使用方便，靈活，運算豐富，表達化類型多樣化，數(shù)據(jù)結構類型豐富，具有結構化的控制語句，程序設計自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特點。 由于現(xiàn)在單片機的發(fā)展已經達到了很高的水平，內部的各種資源相當?shù)呢S富， CPU 的處理速度非常 快。用 C 語言 控制單片機無疑是 設計者 一個理想的選擇。所以在本設計中采用 C 語言編寫軟件程序。 系統(tǒng)整體 設計 流程如下圖 4－ 3 所示： 初 始 化串 口 命 令 中 斷 ？開 始加 速 度 采 集 命 令 處 理單 片 機上 位 機串 口 通 信YN控制命令關 閉 系 統(tǒng) ？關 機YN 圖 4－ 3 系統(tǒng)整體 設計 流程 單片機程序設計 主程序 系統(tǒng)軟件 設計 采用模塊化結構和子程序嵌套技術，可讀性好，便于編制和擴充。主流程采用順序查詢方式，分別檢測上位機控制信號、振動轉感器信號。 AT89S52 單片機中的主程序主要完成以下兩個工作： （ 1）對系統(tǒng)初始化， 包括對 I/O 端口 P P P3 的初始化和配置； （ 2）掃描 I/O 口，接收并處理 MMA7260QT 傳感器的振動數(shù)據(jù)； 22 主程序基本設計思路是：程序運行后，等待 PC 機對 MMA7260QT 傳感器的啟動信號，如果檢測到有效信號，則 MMA7260QT 傳感器正常工作，得到X、 Y、 Z 三個方向上的振動數(shù)據(jù)后首先 進入 A/D 轉換子程序，待轉換完成后再進入數(shù)值轉換為字符串子程序，然后進入顯示子程序，最后進入串口通信子程序將字符串發(fā)送給 PC 機，如此反復循環(huán)。 單片機 主 程序設計流程如下圖 4－ 4 所示： 開 始串 行 通 信NM M A 7 2 6 0 工 作 ？Y初 始 化 函 數(shù)X 方 向A D C 0 8 0 9上 位 機Z 方 向Y 方 向 M M A 7 2 6 0 休 眠 ？結 束停 止 采 集 工 作YN控制指令發(fā) 送 接 收 圖 4－ 4 單片機 主 程序設計流程 具體程序詳見附錄 3 所示 。 模數(shù)轉換子程序 MMA7260QT 檢測出來的電梯轎廂振動量經 ADC0809 采集、轉換后生成數(shù)字量，單片機將讀取的數(shù)字量經過標度變換后以工程量的形式顯示在 LED數(shù)碼管上面，并且通過串口通信發(fā)送到 PC 機端口。 模數(shù)轉換子程序 流程圖 如下圖 4－ 5 所示： 23 數(shù) 據(jù) 處 理開 始轉 換 結 束 ？初 始 化 ， 清 A / D 轉 換 結果 寄 存 器轉 換 停 止 ， 讀 取 轉 換 值讀 寄 存 器 并 轉 換YN啟 動 轉 換 圖 4－ 5 模數(shù)轉換子程序流程圖 ADC0809 芯片內有 8 路模擬選通開關以及相應的通道鎖存譯碼電路，在電路應用中，首先應該 指定 ADC0809 的數(shù)據(jù)通道，當外部模擬量進入芯片 以后，在 START 信號的下降沿 ADC0809 開始轉換，此時，轉換結束信號 EOC呈低電平狀態(tài)，表示轉換正在進行， 待轉換完成以 后，管腳 EOC 的電平 會 變高，表示一次轉換結束。 具體程序 如下： byte ReadAD(byte ch) //模數(shù)轉換函數(shù) { ADC_DATA = 0。 //清 A/D 轉換結果寄存器 ADC_CONTR = 0xF8|ch。 //0000， 1000ADCS ＝ 1，啟動轉換 delay1ms()。 do{。} while((ADC_CONTRamp。0x10)==0)。 //0001,0000 等待 A/D 轉換結束 ADC_CONTR = ADC_CONTRamp。0xE7。 //1110,0111 清 ADC_FLAG 位，停止 A/D 轉換 return ADC_DATA。 } void init_ad(void) //A/D 初始化函數(shù) { P1M0=0x07。 //設置 為高阻輸入，以準備 AD P1M1=0x00。 ADC_CONTR = 0xf8。 //1000,0000 打開 A/D 轉換電源 delay1ms()。 24 ADC_CONTR = ADC_CONTRamp。0xe0。 //清 ADC_FLAG,ADC_START 位和低 3 位 } 串口通信子程序 單片機可以采用中斷方式或查詢 RI（接受中斷標志位）或 TI（發(fā)送中斷表示位）方式進行數(shù)據(jù)通信。本設計采用查詢方式， 查詢 RI 或 TI 的值，若檢測到 RI=1 則進入串口數(shù)據(jù)接收子程序，在子程序中單片機讀取從上位機發(fā)送的通信指令、讀取記錄個數(shù)等數(shù)據(jù)；若檢測到 TI=1 則進入串口數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，在子程序中單片機將經過 ADC0809 轉換過的電梯轎廂振動數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機的端口中。 串口通信子程序流程圖如圖 4－ 6 所示： 開 始關 閉 串 口N發(fā) 送 還 是 接 收 ？Y串 口 初 始 化發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 接 收 數(shù) 據(jù)結 束接 收 完 畢 ？ 發(fā) 送 完 畢 ？YN發(fā) 送接 收 圖 4－ 6 串口通信子程序流程圖 具體